編譯 | 楊玉科

編輯 | 葛幫寧

出品 | 幫寧工作室（gbngzs）

對(duì)電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)，效率就是金錢(qián)。

哪怕只有2%~3%的效率提升，一輛電動(dòng)汽車就可以為汽車制造商節(jié)省數(shù)百美元。這樣一來(lái)，電動(dòng)汽車成本可以逐漸接近燃油車，其盈利能力將越來(lái)越強(qiáng)。

當(dāng)整個(gè)汽車行業(yè)將產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的槍口對(duì)準(zhǔn)某一個(gè)部件時(shí)，這個(gè)部件最終會(huì)變得更小、更輕、更簡(jiǎn)單、更強(qiáng)大、更高效。通常情況下，由于工程師們找到了減少貴金屬和其他原材料含量的方法，且提高了制造效率，這個(gè)組件的成本會(huì)更低。

這正是電動(dòng)汽車的核心部件之一——電機(jī)正在經(jīng)歷的事情，它剛剛步入一場(chǎng)漫長(zhǎng)的改造之旅。

▍效率提升3%意味著什么

通用汽車總裁馬可·睿思（Mark Reuss）在接受Automotive News采訪時(shí)表示：“主要是損耗問(wèn)題，目前，我們才剛剛開(kāi)始優(yōu)化損耗，并對(duì)電機(jī)進(jìn)行管控。”

跟其他汽車制造商和大多數(shù)供應(yīng)商一樣，通用汽車正在向電機(jī)領(lǐng)域投入大量資金。其目標(biāo)不僅要讓電機(jī)在使用更少電力，以及稀土磁體和銅的情況下更有效地運(yùn)行，而且要降低制造成本。

“作為一個(gè)行業(yè)，我們可以相互學(xué)習(xí)，這方面我們一直做得很好?！苯衲?0月，睿思在介紹由電池驅(qū)動(dòng)的凱迪拉克Celestiq活動(dòng)上如是說(shuō)。

硅谷初創(chuàng)公司圖拉科技（Tula Technologies）創(chuàng)造的現(xiàn)代汽缸休止技術(shù)，目前已應(yīng)用于通用汽車大型皮卡和SUV。

未來(lái)，該公司將完善一種節(jié)能策略——電動(dòng)汽車動(dòng)態(tài)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（Dynamic Motor Drive）。該系統(tǒng)通過(guò)電流脈沖控制電機(jī)，每秒關(guān)閉和打開(kāi)電機(jī)數(shù)千次。

負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的圖拉科技副總裁約翰·福爾斯特（John Fuerst），詮釋了3%的效率提升對(duì)雪佛蘭Bolt意味著什么。圖拉科技正在使用Bolt車隊(duì)測(cè)試動(dòng)態(tài)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

“行業(yè)真正衡量收益百分比的方式是每千瓦時(shí)的電池成本。電池有多大？以Bolt為例，其電池價(jià)值7200美元。如果把它縮小3%，就可以節(jié)省216美元。”

在汽車制造商已經(jīng)竭力節(jié)省開(kāi)支的當(dāng)下，節(jié)省幾百美元相當(dāng)難得，這也正是為什么大家開(kāi)始競(jìng)相改進(jìn)電機(jī)，以及控制電力電子設(shè)備的原因。

事實(shí)是，電機(jī)已有近200年歷史。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，電機(jī)為從踏板車到火車頭的一切交通工具提供動(dòng)力。

但由于汽油所含能量，以及與其他燃料相比的低成本優(yōu)勢(shì)，過(guò)去120年里，除豐田普銳斯和雪佛蘭Volt等混合動(dòng)力車型外，電機(jī)只是斷斷續(xù)續(xù)地出現(xiàn)在汽車上。

截至目前，電機(jī)的極少使用阻礙了優(yōu)化進(jìn)程，以適應(yīng)乘用車的獨(dú)特需求。當(dāng)然，隨著汽車制造商競(jìng)相用電動(dòng)汽車取代燃油車，情況正在發(fā)生變化。

英國(guó)供應(yīng)商GKN電動(dòng)動(dòng)力總裁德克·凱塞爾格魯伯（Dirk Kesselgruber）認(rèn)為，電機(jī)的發(fā)展速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于內(nèi)燃機(jī)，后者已經(jīng)持續(xù)發(fā)展一個(gè)多世紀(jì)?！拔也徽J(rèn)為電機(jī)需要如此長(zhǎng)的旅程，才能達(dá)到最佳狀態(tài)?！彼f(shuō)。

與博世、美國(guó)車橋、達(dá)納和其他傳動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商一樣，GKN擁有一系列電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，其中大多數(shù)已經(jīng)大批量生產(chǎn)。

凱塞爾格魯伯稱，電動(dòng)機(jī)器（馬達(dá)）非常古老，有很多關(guān)于它的研究和學(xué)習(xí)。在汽車行業(yè)，他們關(guān)注兩個(gè)方面：其一是，電機(jī)的效率，需要多少能量才能轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)矩？

其二是，成本因素，這涵蓋一切——電機(jī)的尺寸、接觸關(guān)鍵材料的程度、冷卻和熱管理，以及電機(jī)的高速等。

▍改進(jìn)無(wú)處不在

美國(guó)能源部表示，一個(gè)典型的電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通常要造成15%到20%的能源損失。相比之下，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)能源損失為64%到75%，其中一些損失由摩擦引起，另一些則是熱損失。

目前，汽車制造商和供應(yīng)商的工程師們?nèi)〉昧丝焖龠M(jìn)展，在提高整體效率的同時(shí)降低了成本。提高效率不僅僅是減少電機(jī)和齒輪箱的內(nèi)部摩擦，還包括減少電機(jī)的重量和尺寸，控制熱量，優(yōu)化電機(jī)速度以適應(yīng)車輛需要。

Lucid Air配備的緊湊電機(jī)是目前上市的最輕最強(qiáng)勁的電機(jī)。在一段視頻演示中，Lucid管理人員解釋了它的工作原理，并展示如何減輕重量，提高功率。

電機(jī)中，定子72槽比其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的電機(jī)更大，一股粗銅線形成一個(gè)連續(xù)的波。大多數(shù)其他電機(jī)的槽中都充滿了大量絕緣銅線，每根銅線之間的空氣間隔導(dǎo)致效率低下。

Lucid首席執(zhí)行官彼得·羅林森（Peter Rawlinson）在發(fā)布會(huì)上說(shuō)：“我把效率看得比什么都重要?！?/p>

在定子沖片中加入微型冷卻槽，使高壓傳動(dòng)流得以通過(guò)，從而從源頭消除熱量，這是Lucid的一大突破。這樣做大大提高電機(jī)的功率和效率，特別是在較高速度下。電機(jī)額定功率為670馬力，但重量只有67磅。

另一項(xiàng)創(chuàng)新包括——將差速器放在轉(zhuǎn)子內(nèi)部，使整個(gè)驅(qū)動(dòng)單元非常緊湊和輕便。

Lucid動(dòng)力總成副總裁艾瑪?shù)隆さ吕‥mad Dlala）向Automotive News解釋道，之所以能實(shí)現(xiàn)如此突破性的動(dòng)力密度和效率，是因?yàn)椴扇×巳娣椒ā?/p>

“你不能只關(guān)注一個(gè)領(lǐng)域，必須處處尋找改進(jìn)的地方，哪里可以進(jìn)一步改進(jìn)？簡(jiǎn)短的答案無(wú)處不在。我們看到了逆變器、電機(jī)和變速器的改進(jìn)潛力。”

德拉補(bǔ)充道：“我們?cè)陔姍C(jī)冷卻方面開(kāi)辟了新領(lǐng)域，但我們認(rèn)為，還有進(jìn)一步改進(jìn)的可能。銅繞技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展和改進(jìn)，機(jī)電架構(gòu)也如此。在電力電子方面還有更多事情可以做，比如芯片、電容器等?！?/p>

“每一個(gè)領(lǐng)域在功率密度和效率方面都有不同程度的改進(jìn)，綜合來(lái)看，整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的改進(jìn)潛力巨大。我們絕不能躺在過(guò)去的功勞簿上。”他強(qiáng)調(diào)道。

▍效率就是金錢(qián)

電機(jī)的轉(zhuǎn)速比內(nèi)燃機(jī)快得多，而且隨著技術(shù)進(jìn)步，每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)可能還會(huì)增加。一些汽車電機(jī)的轉(zhuǎn)速可達(dá)到每分鐘2萬(wàn)轉(zhuǎn)或更高，這意味著，轉(zhuǎn)子、定子和磁鐵必須非常強(qiáng)大，才能防止它們飛散。

蒂姆·格雷（Tim Grewe）是通用汽車負(fù)責(zé)電氣化戰(zhàn)略和電池工程的總經(jīng)理。他認(rèn)為，在如何控制這些磁鐵，以及如何實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)方面，需要進(jìn)行大量調(diào)整和工程設(shè)計(jì)，就像調(diào)整進(jìn)氣歧管一樣。

格雷參與過(guò)通用汽車生產(chǎn)的每一款電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車——從1990年代末的EV1到凱迪拉克Celestiq，這款最新電動(dòng)汽車將于明年第四季度上市。

目前，通用汽車已經(jīng)投入大量電動(dòng)汽車研發(fā)資源，學(xué)習(xí)如何優(yōu)化電機(jī)中的磁鐵。自2011年推出雪佛蘭Volt混合動(dòng)力車以來(lái)，通用汽車在該領(lǐng)域所做的改進(jìn)，只是工程師提高效率和降低成本的部分途徑。

“從設(shè)計(jì)層面來(lái)講，我們通過(guò)使用更少的稀土來(lái)制造更好的電機(jī)。鋱、釹和鏑就像磁鐵內(nèi)部的催化劑，第一代Volt中，我們?cè)诖盆F各處使用鋱和鏑。第二代Volt中，我們基本把鋱和鏑用量減半，只放在需要的地方?！?/p>

格雷補(bǔ)充道，Ultium電機(jī)已經(jīng)提升到一個(gè)新水平?！拔覀兺晟屏舜拍Ｐ秃腿S磁場(chǎng)計(jì)算能力，只在需要的地方直接將關(guān)鍵稀土涂在磁鐵上?！?/p>

短短3年內(nèi)，德國(guó)供應(yīng)商博世的工程師將其中一款電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置的尺寸縮小近50%。他們將電機(jī)、逆變器和變速器集成到一個(gè)沖壓外殼組成的單元中，這一策略降低了制造和材料成本及重量。

博世還在尋找減少稀土磁鐵使用的方法——稀土磁鐵是電機(jī)中最昂貴的部件。其電機(jī)產(chǎn)品經(jīng)理阿圖羅·瑪雅（ArturoMaya）稱，電機(jī)有很大的改進(jìn)潛力，稀土材料非常重要，我們希望以一種更實(shí)惠的方式獲得磁鐵。

磁鐵的成本相當(dāng)于一臺(tái)電機(jī)的一半。博世工程師還在研究電機(jī)中的銅繞組和用于部件構(gòu)造的金屬。

日本變速箱和傳動(dòng)系統(tǒng)部件供應(yīng)商愛(ài)信（Aisin）雖然不生產(chǎn)電機(jī)，但它正在以熱管理形式研究電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的效率。保持電池和電機(jī)在最佳溫度，就能提高駕駛里程和延長(zhǎng)電池壽命。

在今年9月舉行的底特律車展上，愛(ài)信展示了一款完整的電動(dòng)汽車動(dòng)力總成，它集成了汽車的暖通空調(diào)系統(tǒng)。如果電機(jī)需要冷卻，汽車空調(diào)壓縮機(jī)就可以完成這項(xiàng)工作。暖通空調(diào)系統(tǒng)也可以使電池保持在最佳溫度。

愛(ài)信動(dòng)力系統(tǒng)工程副總裁愛(ài)德華·佩羅斯基（Edward Perosky）說(shuō)，對(duì)電機(jī)本身進(jìn)行直接冷卻，可以使它們保持在適合駕駛的熱管理水平。

由于電池組是電動(dòng)汽車中最昂貴的部分，更高的電機(jī)效率使汽車制造商，能在不影響行駛里程或性能的情況下減小尺寸。

快速改進(jìn)電力傳動(dòng)系統(tǒng)是可能的，部分原因在于，電機(jī)及其附屬驅(qū)動(dòng)裝置比傳統(tǒng)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)單得多。一輛典型的前輪驅(qū)動(dòng)四缸汽車，其動(dòng)力系統(tǒng)大約有200個(gè)活動(dòng)部件。相比之下，雪佛蘭Bolt只有13個(gè)活動(dòng)部件。

這些改進(jìn)電動(dòng)汽車的努力涉及汽車行業(yè)的所有領(lǐng)域。

就連生產(chǎn)全車使用的小型電機(jī)的供應(yīng)商——比如德國(guó)博澤——也在努力改進(jìn)它們的電機(jī)。博澤生產(chǎn)的電機(jī)涉及動(dòng)力推拉門(mén)、窗戶、后擋板、風(fēng)扇和天窗等領(lǐng)域。電機(jī)消耗的電能越少，重量越輕，直接影響電動(dòng)汽車一次充電后的行駛里程。

博澤最近推出了一個(gè)輕量級(jí)的冷卻模塊，它集成了散熱器的冷卻風(fēng)扇、護(hù)罩和電機(jī)。汽車用來(lái)提供動(dòng)力電機(jī)消耗的能量越小，行駛里程就越長(zhǎng)。

正如Lucid羅林森所言，實(shí)現(xiàn)更高的效率將推動(dòng)降低電池尺寸，降低成本，進(jìn)而推動(dòng)電動(dòng)汽車的廣泛采用。

（本文部分內(nèi)容綜合Automotive News報(bào)道，部分圖片來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）